3. Значение атмосферного массопереноса водорастворимых форм химическихэлементов
Поступившие в атмосферу химические соединения подвергаются глубокому преобразованию. Находясь в тропосфере и являясь ядрами конденсации, почвенные частицы испытывают неоднократное воздействие конденсирующейся воды и растворенных в ней хлор- и сульфат-ионов. При этом значительная часть рассеянных элементов переходит в состояние, способное к растворению.
Каждый литр атмосферной воды при падении капель средней величины, проходя расстояние 1 км, омывает около 300 м3 воздуха, а при очень мелких каплях – значительно больший объем. При этом часть элементов, находящихся в аэрозолях, растворяется. Соотношение растворимых и нерастворимых форм рассеянных элементов в тропосфере очень изменчиво и, вероятно, зависит от многих факторов. Изучение этого соотношения привело исследователей к заключению о том, что в атмосферных осадках над континентами примерно 50% всей массы микроэлементов находится в водорастворимом состоянии, а 50% – в нерастворимых формах. Этот вывод подтверждают наблюдения за выпадением рассеянных элементов из атмосферы на поверхность суши. Не менее 50% металлов поступает с атмосферными осадками в водорастворимой форме. Поведение каждого элемента индивидуализировано: медь преимущественно поступает в водорастворимой форме (80% от всей массы), а для свинца более типичны нерастворимые формы (60% и более).
Представление о массообмене химических элементов между атмосферой, сушей и океаном можно получить путем установления баланса масс растворимых веществ, мигрирующих с атмосферными осадками и речными водами.
Воздушные массы переносят значительные количества не только воды, но и растворимых веществ. Среднюю минерализацию атмосферных осадков над океаном разные авторы определяют равной 10–20 мг/л. Приняв наиболее низкое значение минерализации (10 мг/л), можно предположить, что с поверхности океана в атмосферу переходит не менее 4,6×109 т солей. Средняя минерализация атмосферных осадков над сушей равна 25 мг/л. Следовательно, с поверхности суши в атмосферу поступает и затем выпадает с атмосферными осадками 1,73×106 т солей. Помимо указанных масс известно, что некоторое количество солей выпадает из атмосферы в виде так называемых сухих осаждений, что приблизительно составляет 20% от массы солей, растворенных в атмосферных осадках. С учетом сухих осаждений с поверхности Мировой суши ежегодно поступает в атмосферу (1,73 + 0,35)×109 т солей, а с поверхности океана – (4,6 + 0,92)×109 т. Масса солей, принимающих участие в круговороте воды в бессточных областях суши, равна (с учетом 20% сухих осаждений) 0,23×109 т.
Количество солей, переносимых с Мирового океана на сушу, учитывая сухие осаждения, составляет не менее 0,53×109 т/год. Воздушный перенос морских солей распространяется преимущественно на дренируемую реками часть суши и частично компенсирует вынос речными водами растворимых соединений с этой территории. Вынос минеральных солей речным стоком со всей суши (за исключением ледников Антарктиды и Гренландии), исходя из средней минерализации речных вод по Д.А. Ливингстону (1963), составляет 4,9×109 т. Следовательно, примерно 10% солей, выносимых с суши в океан с речным стоком, ежегодно возвращается обратно из океана на сушу через атмосферу. Глобальный кругооборот воды сопровождается циклическим движением крупных масс солей и химических элементов, выделенных в атмосферу биогеохимическими процессами. Возвратная миграция крупных масс водорастворимых соединений не означает, что химические элементы, вынесенные в форме ионного стока в океан, возвращаются на сушу в тех же соотношениях. Состав речных вод глубоко трансформируется при поступлении в океан. По этой причине в океанических водах соотношение элементов иное, чем в растворимой части речных вод. Кроме того, при образовании океанических аэрозолей и переходе химических элементов из океана в атмосферу имеет место их фракционирование. Химический состав солей атмосферных осадков и солей морской воды также неодинаков.
Таблица 4. Атмосферный перенос на сушу масс главных ионов, растворенных в воде Мирового океана
| Ион | Поступление ионов на сушу, 1×10 6 т/год | Доля ионов океанического происхождения от массы континентального стока, % | ||
| с океаническими атмосферными осадками | с учетом 20%-го сухого осаждения | без учета 20% | с учетом 20% | |
| Na+ | 107,0 | 128,4 | 54,0 | 64,8 |
| К+ | 7,1 | 8,5 | 10,8 | 13,0 |
| Mg2+ | 20,9 | 25,1 | 14,4 | 17,3 |
| Са2+ | 22,0 | 26,4 | 3,6 | 4,3 |
| Cl- | 200,0 | 240,0 | 70,9 | 85,1 |
| SO4-2 | 74,2 | 89,0 | 14,1 | 16,9 |
| HCO3- | 8,8 | 10,6 | 0,3 | 0,36 |
Не все элементы водного баланса хорошо изучены, поэтому в расчетах исследователей неизбежны некоторые отклонения. Однако порядки величин хорошо согласуются. Из данных табл. 3.4 и 3.5 следует, что значительная часть масс хлора и натрия, присутствующих в речном стоке, поступила с атмосферными осадками океанического происхождения. Совершенно иначе ведет себя кальций. Огромные массы этого элемента выносятся с речным стоком и прочно удерживаются в Мировом океане. Промежуточное положение занимают сульфатная сера, магний и калий. Их большая часть удерживается в океане, но 10 – 20% от масс, выносимых с речным стоком, вновь вовлекается в циклическую атмосферную миграцию между Океаном и континентами.
Таблица 5. Количество ионов морской воды, поступающих на сушу через атмосферу
| Ион | Средний состав атмосферных осадков над океаном | Поступление из океана, млн т/год | Вынос реками, млн т/год | Доля ионов океанического происхождения в речном стоке, % | |
| мг/л | % | ||||
| Na+ | 2,24 | 24,74 | 19,3 | 32,0 | 60,3 |
| К+ | 0,12 | 1,33 | 1,0 | 4,6 | 21,7 |
| Mg2+ | 0,33 | 3,66 | 2,8 | 18,4 | 15,2 |
| Са2+ | 0,36 | 3,98 | ЗД | 79,2 | 3,9 |
| СГ | 4,00 | 44,19 | 34,4 | 41,1 | 83,7 |
| SО42+ | 1,64 | 18,12 | 14,1 | 76,6 | 18,4 |
| нсо,- | 0,36 | 3,98 | ЗД | 254,1 | 1,2 |
Более сложное распределение масс водорастворимых форм тяжелых металлов и других рассеянных элементов. Данные о концентрации химических элементов в дождевой воде над континентами свидетельствует о большом разбросе значений (табл. 3.6). Поэтому расчеты и выводы разных авторов сильно расходятся.
Таблица 6. Диапазоны измеренных концентраций рассеянных металлов в дождевых осадках над континентами
| Химический элемент | Диапазон концентраций, мкг/л | Химический элемент | Диапазон концентраций, мкг/л |
| Fe | 16,0–4020,0 | Cd | 0,05–17,7 |
| Ti | 3,0–220,0 | V | 3,7–9,0 |
| Zn | 10,0–260,0 | Mn | 1,7–7,7 |
| Br | 0,8–460,0 | Ni | 1,0–7,2 |
| Сг | 0,5–82,0 | Co | 0,04–7,2 |
| Pb | 0,3–53,0 | Hg | 0,01–1,3 |
| As | 0,2–31,0 | Se | 0,2–0,9 |
| Sb | 0,3–4,6 |
Циклические процессы массообмена между поверхностью суши и тропосферой, – с одной стороны, и поверхностью океана и тропосферой – с другой, связаны между собой. По нашим расчетам, суммарный захват дисперсных почвенных частиц с поверхности Мировой суши и поступление их в атмосферу составляет около 5,2×109 т/год. Из этого количества примерно 3,5×109 т возвращаются на поверхность суши, а (1,7–1,8)×109 т поступают в пределы акватории. В циркумконтинентальной зоне по периферии суши, примерно соответствующей зоне шельфа, среднее осаждение пыли равно 15 г/м2 в год. В открытой части океанов и над сушей, покрытой ледниками, среднее осаждение значительно меньше – 3 г/м2 в год. Соответственно в циркумконтинентальной зоне, занимающей около 10% от общей акватории Земли, выпадает (0,5–0,6)×109 т/год пыли, на поверхности открытой части океана и площади материковых ледников – около (1,1–1,2)×109 т/год. Одновременно с переносом пыли с суши выносятся десятки и сотни тысяч тонн цинка, свинца, меди и других тяжелых металлов,
С океана на сушу через тропосферу перемещается встречный поток тяжелых металлов. Метилизация и другие биогеохимические процессы, способствующие образованию летучих соединений металлов в гидроморфных ландшафтах суши, также широко распространены в поверхностном слое океана. Расчет баланса металлов в глобальной системе атмосфера – поверхность океана – донные осадки показал, что в донные осадки удаляется лишь часть тяжелых металлов, поступающих на поверхность океана с атмосферными осадками. Так как содержание металлов в воде океана не возрастает, можно заключить, что значительная часть поступающих из атмосферы металлов вновь возвращается в тропосферу. Механизм этого массообмена во многом еще не ясен, но несомненно важную роль в нем играют биологические процессы образования летучих органических соединений металлов, в первую очередь – метилизация. Можно предположить, что в течение года из океана в атмосферу поступают сотни тысяч тонн цинка, свинца, меди и других химических элементов, которые вновь возвращаются в океан с жидкими и твердыми атмосферными осадками.
Различия в составе аэрозолей и паров в воздушных массах континентального и океанического происхождения отчетливо проявляются на контакте суши и океана. Влияние суши наиболее заметно сказывается в поступлении в океан высокодисперсного минерального вещества. В прибрежной зоне океана не только в 5 раз больше масса выпадающих частиц аэрозолей, чем в пелагической (открытой) части, но и более высокая концентрация железа, алюминия, марганца, галлия и других терригенных рассеянных элементов. На протяжении года на поверхность океана выпадает из атмосферы: